引言

　　飛思卡爾智能車比賽已經(jīng)成功舉辦4屆，以攝像頭為主要傳感器的參賽隊伍大多數(shù)選用了模擬CCD或模擬CMOS攝像頭。本文介紹了數(shù)字式CMOS攝像頭MT9M011的性能特點和工作方式，給出了MT9M011在基于HCSl2單片機的智能車控制系統(tǒng)中的應用方案，并分析了數(shù)字攝像頭的優(yōu)勢和不足。

　　1 CMOS圖像傳感器的特點

　　CMOS圖像傳感器可通過CMOS技術將像素陣列與外圍支持電路(如圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的時序邏輯、可編程功能和A／D轉(zhuǎn)換器)集成在同一塊芯片上。與CCD(電容耦合器件)圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制等優(yōu)點；同時，可通過I2C、SPI等接口配置其曝光時間、增益控制等功能，可控性強。因此，CMOS圖像傳感器的應用已經(jīng)變得越來越廣泛。

　　2 MT9M011的性能特點與工作方式

　　2．1 MT9M011的基本參數(shù)

　　MT9M011是一款：MierON公司推出的RGB三基色的130萬像素數(shù)字式CMOS攝像頭，具有可編程控制及數(shù)字信號輸出等功能。其輸出為Bayer彩色格式，圖像尺寸為4．6 mm×3．7 mm，像素尺寸為3．6 μm×3．6 μm，最大分辨率為1 280×1 024，支持的最高時鐘頻率為25MHz；A／D轉(zhuǎn)換精度為10位，最大信噪比為44 dB，在最高分辨率模式下功耗為129 mW。

　　MT9M011輸出為逐行掃描的數(shù)字信號，通過內(nèi)嵌的10位ADC將模擬視頻信號采樣量化后同步輸出10位數(shù)據(jù)流。同時，MT9M011還提供像素時鐘(PIXCLK)、行有效信號(LVAL)、幀有效信號(FVAL)，以及配置MT9M011所需的I2C協(xié)議引腳SCLK和SDAT。

　　2．2 MT9M011的編程功能

　　MT9M011有25個寄存器，涉及攝像頭的各個方面，通過與I2C兼容的串行總線時序讀寫。結(jié)合智能車競賽應用重點介紹以下寄存器：

　?、傩衅鹗技拇嫫?Ox01)和列起始寄存器(Ox02)。這兩個寄存器決定輸出圖像的起始點坐標。利用這兩個寄存器可以軟件調(diào)節(jié)攝像頭采集到的圖像整體位置。

　?、谛袑挾燃拇嫫?0x03)和列寬度寄存器(Ox04)。MT9M011的一大特色就是輸出數(shù)據(jù)的圖像大小可以任意調(diào)整。通過這兩個寄存器可以針對當前的應用環(huán)境(即賽道)設置合適的圖像范圍。

　?、燮毓鈺r間寄存器(Ox09)。該寄存器的值決定了攝像頭采集一幀圖像時感光元器件的感光時間。通過調(diào)整該寄存器值的大小可以直接調(diào)整圖像的成像質(zhì)量。

　?、軘?shù)據(jù)讀取模式寄存器(Ox20)。該寄存器可以使輸出的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)減少至1／2或者1／4，也可以使輸出的圖像鏡面對稱。

　?、菰鲆嬖O置寄存器。它又包含Greenl分量增益設置寄存器(Ox2B)、Blue分量增益設置寄存器(Ox2C)、Red分量增益設置寄存器(Ox2D)、Green2分量增益設置寄存器(Ox2E)和全局增益設置寄存器(Ox2F)5個寄存器。由于RGB分量對同一光源表現(xiàn)出不同的數(shù)值，因此需要針對不同的光源情況分別調(diào)整前4個寄存器的值，而這也是這款攝像頭最大的缺點。

　　2．3 MT9M011的數(shù)字圖像輸出

　　2．3．1 Bayer彩色格式輸出

　　MT9M011的輸出為Bayer彩色格式(Bayer color pattern)。這種輸出格式直接將濾波陣列上每一個像素點對應的保留基色模擬電平值，通過A／D轉(zhuǎn)換后按時序先后輸出。圖1展示了這種輸出格式對應的局部像素點陣。其中，黑色像素點為輸出有效數(shù)據(jù)的第一個點。

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　　2．3．2 MT9M011的輸出信號時序

　　像素數(shù)據(jù)輸出時序和幀與行有效信號時序分別如圖2和圖3所示。像素時鐘與主時鐘同頻，在一幀圖像開始輸出時幀有效信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，一幀輸出結(jié)束時由高電平變?yōu)榈碗娖?；而行有效信號則在一行數(shù)據(jù)輸出有效時由低電平變?yōu)楦唠娖?，一行?shù)據(jù)輸出完成后由高電平變?yōu)榈碗娖?。根?jù)MT9M0ll的輸出信號時序就能正確地采集整幀圖像。圖3中，P為幀消隱區(qū)，A為有效數(shù)據(jù)區(qū)，Q為行消隱區(qū)。

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　3 MT9M011在智能車控制系統(tǒng)中的應用

　　3．1 硬件設計

　　MT9M011的電平是3．3 V，而HCSl2單片機系統(tǒng)的I／O電平是5 V，因此需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片將攝像頭輸出數(shù)據(jù)的電平提升到5V。結(jié)合MT9M011的輸出信號時序關系和HCSl2單片機的特點，本文利用HCSl2的ECT模塊提取MT9M011的幀有效信號的上升沿，采用ECT模塊對應引腳的普通I／O口功能采集行有效信號的上升沿。MT9M011的數(shù)據(jù)輸出信號有10位，鑒于賽道環(huán)境相對簡單，只截取高8位作為攝像頭信號輸出，既可以保證圖像分辨率，又可節(jié)省HCSl2的存儲空間。HCSl2單片機本身帶有一個標準的I2C模塊，直接使用這個模塊與MT9M011的SCLK和SDAT相接。

　　3．2 軟件設計

　　3．2．1 HCSl2單片機I2C模塊配置

　　HCSl2單片機提供標準的I2C模塊，SCLK引腳能產(chǎn)生多種時鐘頻率，支持主從模式，設有多種標志位以供查詢。初始化I2C模塊時需要完成以下工作：

　?、僭O置IBFD寄存器，使產(chǎn)生的SCLK信號能夠?qū)T9M011進行正常的配置；

　　②設置IBEN寄存器位，使能I2C模塊；

　?、墼O置IBCR，確定I2C模塊的主、從模式，收、發(fā)模式以及是否使能中斷功能等。